全套教學課件材料力學性能(第2版)

1、材料力學性能Mechanical Properties of Materials 緒 論一、材料科學與工程 1986年英國材料科學與工程百科全書：材料科學與工程是研究有關材料組成（成分、組織與結構）、性能、生產(chǎn)流程（工藝）和使用效能以及它們之間關系的學科。1、材料科學與工程的內(nèi)涵2、材料科學與工程的基本要素結構（Structure）性能（Property）效能（Performance）工藝（Processing）四要素圖組成（成分、組織與結構）、 性能、 加工制備、效能緒 論1）成分組織結構 表示材料結構所包含的四個層次：原子結構、結合鍵、原子排列方式（晶體與非晶體）和組織。2）制備合成與加工

2、工藝 指實現(xiàn)特定原子排列的演變過程。3）固有性能 是對材料功能特性和效用（如電、磁、光、熱、力學等性質(zhì)）的定量度量和描述4）使用性能（服役性能） 是指材料性質(zhì)在使用條件（如受力狀態(tài)、氣氛、介質(zhì)與溫度等）下的表現(xiàn)。緒 論 把材料的固有性能和產(chǎn)品設計、工程應用能力聯(lián)系起來，度量使用性能的指標有：壽命、速度、能量利用率、安全可靠程度利成本等綜合因素，在利用物理性能時包括能量轉(zhuǎn)換效率、靈敏度等。加工/合成（Processing/Synthesizing）成分（Composition）結構（Structure）性能（Property）效能（Performance）環(huán)境的影響理論/材料設計（Theory/

3、Materials Design）五要素圖緒 論二、材料的性能1.定義： 表征材料在外界條件作用下所發(fā)生的行為的參量。 1)行為： 材料在外界條件作用下從一個狀態(tài)到另一狀態(tài)的過程。2）外界條件: 指應力、溫度、化學 介質(zhì)、磁場、電場、輻照等。在不同的外界條件下，同一材料也會有 不同的性能。3）參量化 性能必須參量化，即材料的性能需要定量地加以表述。多數(shù)的性能都有單位，通過對單位的 分析(量綱分析)，可以加深對性能的理解。2.性能分類使用性能物理性能：、化學性能：電極電位、氧化性力學性能 ： 、 、工藝性能：鑄造、鍛造、焊接、熱處理緒 論.材料的力學性能 是關于材料強度的一門學科，即是關于材料在

4、外加載荷（外力）作用下或載荷和環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下表現(xiàn)的變形、損傷與斷裂的行為規(guī)律，及其物理本質(zhì)和評定方法的學科。 材料的力學性能，常用材料的力學性能指標來表述。 力學性能指標是材料在載荷和環(huán)境因素作用下所發(fā)生的力學行為的量化因子，是評定材料質(zhì)量的主要依據(jù)和結構設計時選材的根據(jù)。緒 論 通常把力學參量的臨界值或規(guī)定值稱為力學性能指標1)力學行為 材料在外加載荷、環(huán)境條件及其綜合作用下所表現(xiàn)出的行為和特征。2)力學性能a：表征材料力學行為特征的參量b：本質(zhì)為抵抗各種力學行為發(fā)生的能力3)失效: 材料的力學性能（使用性能）不能滿足服役條件的要求而失去原有功能的現(xiàn)象。 緒 論4

5、)失效形式斷裂韌性斷裂脆性斷裂非斷裂變形磨損腐蝕三、本課程的研究內(nèi)容1.材料在各種條件下的力學性能1) 按材料分： 金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復合材料等。緒 論2）按試樣形狀分： 光滑、缺口和裂紋試樣。3）按加載條件分： 靜載、沖擊載荷和變動載荷。4）按環(huán)境條件分： 溫度（低溫、高溫）、化學介 質(zhì)、中子輻照、液態(tài)金屬等。2. 材料力學性能的影響因素1) 內(nèi)在因素： 化學成分、結構、冶金質(zhì)量、缺陷、殘余應力等。2) 外在因素： 溫度、載荷性質(zhì)、應力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)等。緒 論 3. 材料力學性能的微觀機制 4. 材料力學性能的測試技術四、研究目的和意義1.正確地使用材料。2. 評價材料合成與加

6、工工藝的有效性，并通過控制材料的加工工藝提高材料的力學性能。3. 可在材料力學性能理論的指導下，采用新的材料成分和結構，或新的加工和合成工藝，設計和開發(fā)出 新材料，以滿足對材料的更高需求。第一章材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能 拉伸力伸長曲線和應力應變曲線 彈性變形 塑性變形 金屬的斷裂12010.3.24第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能單向靜拉伸試驗條件：1.設備：液壓萬能實驗機 電子萬能材料試驗機2.試樣:比例試樣= 11.3=5.65非比例試樣3. 加載速度：（形變速率102104）kg/mm2s屈服前生產(chǎn)檢驗 13 kg/mm2s屈服后：/min4. 環(huán)境條件：2010第一章

7、材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能4. 環(huán)境條件：2010第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能單向靜拉伸實驗演示拉伸力-伸長曲線和應力-應變曲線 拉伸力-伸長曲線是拉伸實驗中記錄的力對伸長的關系曲線。一、拉伸力-伸長曲線力學行為：彈性變形oeop（直線）比例彈變pe（曲線部分）非比例2. A-B-k 彈性塑性變形屈服AC均勻變形CB集中塑性變形（縮頸)Bk3.斷裂第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能二、拉伸力-伸長曲線的類型a. 脆性材料：彈性變形斷裂b. 有色金屬：彈性變形斷裂c.高錳鋼、鐵青銅： 斷裂彈性變形d.加工硬化不明顯：彈性變形斷裂e.

8、 純銅、純鋁：斷裂第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能三、應力-應變曲線（-） 將拉伸力-伸長曲線的縱、橫坐標分別用拉伸試樣的原始截面積A0和原始標距長度L0去除，則得到應力-應變曲線。 因均系以一常數(shù)相除，故曲線形狀不變。這樣的曲線稱為工程應力應變曲線。 如果用真實應力S和真實應變e繪制曲線 ，則得到真應力-應變曲線，如圖。第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能圖1-4 真應力-真應變曲線 由于均勻變形階段體積不變 (1-)(1+)=1 一、彈性變形及其實質(zhì)二、胡克定律三、彈性性能四、滯彈性五、彈性滯后環(huán)及循環(huán)韌性六、包申格（Bauschinger）效應 彈性變形第一章 材料在單向靜拉

9、伸載荷下的力學性能一、彈性變形的特點及實質(zhì).特點：a)b) 可逆性c) 變形量很小1%d) 變形速率非?？?.2 彈性變形2.實質(zhì)： 外力作用下金屬原子間發(fā)生可逆性位移的結果1.2 彈性變形1.2 彈性變形 原子間的作用力與原子間距的關系為拋物線，并不是線性關系。 當原子間距與平衡位置r0 的偏離很小時，由數(shù)學處理（級數(shù)展開）可得到： 在小變形條件下，P與r成線性比例關系。1.2 彈性變形 當r=rm (2B/A)1/2時,原子間作用力的合力表現(xiàn)為引力，而且出現(xiàn)極大值，在彈性狀態(tài)下斷裂，相應的彈性變形量（41%）。 由于晶體中含有缺陷，在彈性變形量尚小時的應力足以激活位錯運動，產(chǎn)生塑性變形；對

10、于脆性材料，由于對應力 集中敏感，應力稍大時，缺陷處的集中應力即可導致裂紋的產(chǎn) 生與擴展，使晶體在彈性狀態(tài)下斷裂。 二、胡克定律 各向同性體在單軸加載方向上的應力與彈性應變間：(一) 簡單應力狀態(tài)的胡克定律1單向拉伸1.2 彈性變形 在加載方向上的變形（伸長），必然導致與加載方向垂直的方向上的收縮。2剪切和扭轉(zhuǎn)3E、G的關系(二) 廣義胡克定律 對復雜應力狀態(tài)以及各向異性體上的彈性變形1.2 彈性變形三、彈性性能（一）彈性模量（）.物理意義： 表征材料對彈性變形的抗力(剛度).影響因素：1) 金屬的本性原子間作用力（原子種類、晶格結構）2) 合金化：溶質(zhì)原子對晶格常數(shù)改變不大。3) 熱處理：

11、晶粒尺寸、第二相大小和分布對的影響個不大1.2 彈性變形 淬火 回火4) 加工硬化：殘余應力下降4-6%織構各向異性5) 溫度：溫度上升，E下降（3-5%/100 ）但在 -5050內(nèi)，變化不大6) 加載速率對的影響不大 所以說：金屬材料的彈性模量是一個對組織不敏感的力學性能指標，外在因素的變化對它的影響也比較小。1.2 彈性變形 彈性性能與特征是原子間結合力的宏觀體現(xiàn)，本質(zhì)上決定于晶體的電子結構，而不依賴于顯微組織，因此，彈性模量是對組織不敏感的性能指標。金屬材料E/105MPa鐵2.17銅1.25鋁0.72鐵及低碳鋼2.0鑄鐵1.71.9低合金鋼2.02.1奧氏體不銹鋼1.92.01.2

12、彈性變形構件剛度 對于一定材料的制件，剛度只與其截面積成正比?？梢娨黾恿?構)件的剛度，要么選用正彈性模量E高的材料，要么增大零(構)件的截面積A 。 往往既要求剛度高，又要求質(zhì)量輕，因此加大截面積是不可取的，只有選用高彈性模量 的材料才可以提高其剛度。即比彈性模量(彈性模量/密度)要高幾種常用材料的比彈性模量 1 、 與1）物理意義應力與應變成直線關系的最大應力由彈性變形過渡到彈性塑性變形的應力2） 應用不允許發(fā)生塑性變形（二）彈性比功2、彈性比功1.2 彈性變形彈性比功示意圖1）物理意義： 表示單位體積金屬材料吸收彈性變形功的能力，又稱彈性比應變能。1.2 彈性變形2）提高彈性比功的途徑

13、：1) ，2) ，（合金化、熱處理、冷變形） 欲提高一個具體零件的彈性比功，除采取提高e 或降低E的措施外，還可以改變零件的體積。體積越大，彈性功越大。彈簧的分類：硬彈簧： 彈簧鋼制造，通過合金化、熱處理和冷加工，提高其彈性極限的方法來增大彈性比功。軟彈簧（儀表彈簧）： 磷青銅或鈹青銅制作，具有較高的彈性極限和較小的彈性模量，因而彈性比功也較大。1.2 彈性變形（三）彈性性能的工程意義 任何一部機器（或構造物）的零（構）件在服役過程中都是處于彈性變形狀態(tài)的。結構中的部分 零（構）件要求將彈性變形量控制在一定范圍之 內(nèi)，以避免因過量彈性變形而失效。 另一部分零（構）件，如彈簧，則要求其在彈性變形

14、量符合規(guī)定的條件下，有足夠的承受載荷 的能力，即不僅要求起緩沖和減震的作用，而且要 有足夠的吸收和釋放彈性功的能力，以避免彈力不 足而失效。彈性變形量過大，塑性變形，小彈性比功小、1.2 彈性變形1.2 彈性變形四、滯彈性（彈性后效）1.現(xiàn)象： 純彈性體的彈性變形只與載荷大小有關，而與加載方向和加載時間無關。但對實際金屬材料而言，其彈性變形不僅是應力的函數(shù),而且還是時間的函數(shù)。 這種在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時間延長產(chǎn)生附加彈性應變的現(xiàn)象，稱為滯彈性。ab 正彈性后效(彈性蠕變、冷蠕變）eo 反彈性后效1.2 彈性變形282010.3.261.2 彈性變形2. 滯彈性原因 產(chǎn)生彈性后效的

15、原因可能與金屬中點缺陷的移動有關。3.影響因素：1) 組織不均勻性彈性后效2) 溫度溫度彈性后效4. 滯彈性危害儀表的準確性；制造業(yè)中構件的形狀穩(wěn)定性（校直的工件會發(fā)生彎曲）。1.2 彈性變形五、彈性滯后環(huán)及循環(huán)韌性 在彈性變形范圍內(nèi)，驟然加載和卸載的開始階段，應變總要落后于應力，不同步。因此，其結果 必然會使得加載線和卸載線不重合,而形成一個閉合的滯后回線，這個回線稱為彈性滯后環(huán)。a)單向加載彈性滯后環(huán) 如果所加載荷是交變的循環(huán)載荷，并且加載速度比較緩慢，彈性后效現(xiàn)象來得及表現(xiàn)時，則可得到兩個對稱的彈性滯后環(huán)。1. 彈性滯后環(huán)1.2 彈性變形 如果加載速度比較快，彈性后效來不及表現(xiàn)時，則得到

16、如圖的彈性滯后環(huán)。若交變載荷中最大應力大于彈性極限，則出現(xiàn)塑性滯后環(huán)交變加載塑性滯后環(huán)滯后環(huán)表明：加載時材料變形功大于卸載后材料恢復釋放出的功環(huán)面積的大小表示被金屬消耗的變形功的大小。1.2 彈性變形 在交變載荷下，環(huán)的面積代表材料以不可逆方式吸收能量(即內(nèi)耗)而不破壞的能力，也稱為循環(huán)韌性。循環(huán)韌性：指在塑性區(qū)加載時材料吸收不可逆變形功的能力內(nèi)耗：指在彈性區(qū)加載時材料吸收不可逆變形功的能力一般二者混用2.循環(huán)韌性循環(huán)韌性量度：自由振動振幅衰減的自然對數(shù)。1.2 彈性變形循環(huán)韌性應用：高循環(huán)韌性材料減振、消振元件低循環(huán)韌性材料傳感元件、樂器產(chǎn)生原因位錯的運動或變形的不均勻性等。六、包申格(Ba

17、uschinger)效應 金屬材料經(jīng)過預先加載產(chǎn)生少量塑性變形（殘余應變約為1%4%），卸載后再同向加載，規(guī)定殘余伸長應力（彈性極限或屈服強度，下同）增加；反向加載規(guī)定殘余伸長應力降低（特別是彈性極限在反向加載時幾乎降低到零）的現(xiàn)象，稱為包申格效應。 退火軋制黃銅包申格效應1.2 彈性變形2. 產(chǎn)生原因： 認為由于位錯塞積引起的長程內(nèi)應力（常稱反向應力），在反向加載時有助于位錯運動從而降低比例極限所致。位錯塞積 由于預應變使位錯運動阻力出現(xiàn)方向性所致。因為經(jīng)過正向形變后，晶內(nèi)位錯最后總是停留在障礙密度較高處，位錯塞積后產(chǎn)生了背應力,當反向加載時,位錯運動的方向與原來方向相反,背應力幫助位錯運動

18、,位錯很容易克服曾經(jīng)掃過的障礙密度較低處，塑性變形容易,屈服強度降低。1.2 彈性變形3. 敏感材料：退火或高溫回火的金屬或合金。4. 包申格應變： 是度量包申格效應的基本定量指標。 指在給定應力下，正向加載與反向加載兩應力應變曲線之間的應變差。 b點為拉伸應力應變曲線上給定的流變應力bc為包申格應變1.2 彈性變形 5. 包申格效應的應用（1）對于承受應變疲勞載荷作用的機件在應變疲勞過程中，每一周期內(nèi)都產(chǎn)生微量塑性變形，在反向加載時，微量塑性變形抗力(規(guī)定殘余伸長應力)降低，顯示循環(huán)軟化現(xiàn)象。（2）對于預先經(jīng)受冷塑性變形的材料，如服役時受反向力作用，就要考慮微量塑性變形抗力降低的有害影響，如

19、冷拉型材及管子在受壓狀態(tài)下使用就是這種情況。（3）利用包申格效應，如薄板反向彎曲成型。拉撥的鋼棒經(jīng)過軋輥壓制變直等。6. 消除方法（1）預先進行較大的塑性變形。如果金屬材料預先經(jīng)受大量塑性變形，因位錯增殖和難于重分布，則在隨后反向加載時，包申格應變等于零。1.2 彈性變形（2）在第二次反向受力前先使金屬材料于回復或再結晶溫度下退火，如鋼在400500以上，銅合金在250270以上退火。一、塑性變形方式及特點二、屈服現(xiàn)象和屈服點(屈服強度)三、影響屈服強度的因素四、應變硬化(形變強化)五、縮頸現(xiàn)象和抗拉強度六、塑性七、靜力韌度3塑性變形第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能1.3 塑性變形47

20、2010.3.26 塑性變形是指外力移去后不能恢復的變形。 塑性是指材料經(jīng)受塑性變形而不破壞的能力。 塑性變形和形變強化是金屬材料區(qū)別于其它工業(yè)材料的重要特征。一、塑性變形方式及特點1. 塑性變形的方式滑移滑移是晶體在切應力作用下沿一定的晶面和晶向進行切變的過程可動滑移系越多，材料的塑性越大刃型位錯運動動畫螺型位錯運動動畫位錯運動電鏡觀察孿晶1.3 塑性變形482010.3.26 孿生是發(fā)生在金屬晶體內(nèi)局部區(qū)域的一個切變過程，切變區(qū)域?qū)挾容^小，切變后形成的變形區(qū)的晶體取向與未變形 區(qū)成鏡面對稱關系。 孿生提供的變形量有限，可以改變晶體取向，以便啟動新的滑移系，或者使難于滑移 的取向變?yōu)橐子诨?/p>

21、的取向。2. 塑性變形的特點1) 切應力導致塑性變形2) 加工硬化3) 不可逆4) 多晶體材料各晶粒塑性變形的不同時性和不均勻性5) 多晶體材料各晶粒各晶粒塑性變形的相互制約與協(xié)調(diào)1.3 塑性變形二、屈服現(xiàn)象和屈服點(屈服強度)1. 屈服現(xiàn)象 在試驗過程中，外力不增加 (保持恒定)試樣仍能繼續(xù)伸長；或外力增加到一定數(shù)值時突然下降，隨后，在外力不增加或上下波動情況下，試樣繼續(xù)伸長變形， 這便是屈服現(xiàn)象。 標志著材料的力 學響應由彈性變形階段進入塑性變形階段。 光滑試樣拉伸試驗時，屈服變形開始于試樣微觀不均勻處，或存在應力集中的部位，一般在距試 樣夾持部分較近的地方。局部屈服開始后，逐漸傳 播到整

22、個試樣。與此過程相對應地，可以觀察到試 樣表面出現(xiàn)與拉伸軸線成45方向的滑移帶，及其逐漸傳播到整個試樣表面。1.3 塑性變形 至滑移帶遍布全部試樣表面時，應力-應變曲線到達點。屈服應變量BC是靠屈服變形提供的。應用： 屈服為不均勻局部變形，產(chǎn)生呂德斯帶。在薄鋼板冷沖壓成形時，往往因局部變形不均勻，形成表面折皺。為避免折皺出現(xiàn)，可對鋼板預變形，變形量稍大于屈服應變，然后沖壓時將不出現(xiàn)物理屈服，避免折皺。1.3 塑性變形2. 連續(xù)屈服現(xiàn)象和不連續(xù)屈服材料產(chǎn)生不連續(xù)屈服的條件a.屈服前可動位錯密度低b.隨著塑性應變 的增加， 急劇增加 材料的塑性應變速率與材料中的可動位錯密度，位錯運動速度和位錯柏氏

23、矢量b的關系為： 位錯運動速度決定于其所受外力的大小1.3 塑性變形 m越低，位錯運動速度變化所需的應力變化越大，屈服現(xiàn)象越明顯。 bcc的m20, fcc在1002004. 屈服點的測定1) 不連續(xù)屈服2) 連續(xù)屈服規(guī)定非比例伸長應力( ) 或 規(guī)定殘留伸長應力( ) 或 規(guī)定總伸長應力( ) 1.3 塑性變形4. 屈服強度、彈性極限、比例極限的含義材料對微量塑性變形的抗力5. 屈服判據(jù) 屈服強度是金屬材料重要的力學性能指標，它是工程上從靜強度角度選擇韌性材料的基本判據(jù)。對于復雜的應力狀態(tài)：屈雷斯加最大切應力判據(jù)米塞斯畸變能判據(jù)1.3 塑性變形三、影響屈服強度的因素 金屬材料一般是多晶體合金

24、，往往具有多相組織，因此，討論影響屈服強度的因素，必須注意： 屈服變形是位錯增殖和運動的結果，凡影響位錯增殖和運動的各種因素必然要影響屈服強度； 實際金屬材料的力學行為是由許多晶粒綜合作用的結果，因此，要考慮晶界、相鄰晶粒的約束、材料的化學成分以及第二相的影響； 各種外界因素通過影響位錯運動而影響屈服強度。 內(nèi)在因素1. 金屬本性及晶格類型對于只含一個位錯單晶體位錯滑移阻力為：1.3 塑性變形582. 晶粒大小和亞結構1) 位錯密度 對含多個位錯單晶位錯間相互作用對位錯運動阻力2) 晶粒大小(d)晶粒尺寸越小，則晶界越多。晶界屬于面缺陷，其屬于原子排列不規(guī)則區(qū)。2010.4. 1相鄰晶粒間存在

25、一定的位相差。1.3 塑性變形 滑移首先在取向有利的晶粒中發(fā)生，由于晶界和晶粒間取向差共同作用，位錯滑移終止在晶界，晶界對位錯運動具有阻礙作用。Cu-4Ti合金中位錯被堵塞在晶界附近 一個晶粒內(nèi)部，必須塞積足夠數(shù)量的位錯，才能提供必要的應力，使相鄰晶粒中的位錯源開動，產(chǎn)生宏觀塑性變形。所以，減少晶粒尺寸會減少晶粒內(nèi)部位錯塞積的數(shù)量，減少位錯塞積群的長度，降低塞積點處的應力，相鄰晶粒中位錯源開動所需的外加切應力提高，屈服強度增加。細晶強化 HallPetch關系式：1.3 塑性變形bcc較fcc hcp的高，故細晶強化強化效果好細晶強化實例：屈服強度與晶粒直徑的關系1-Al2-鋼3-Ni4-碳鋼

26、（0.05C)5-碳鋼（0.2%C） 6-Mo1.3 塑性變形632010.3.31元素CSiMnPSAl含量0.0260.0660.0840.00820.00150.056a.鍛后95030min空冷b.鍛后110030min水冷c.冷軋6001min鹽浴油冷d.冷軋6004min鹽浴油冷e.冷軋6801min鹽浴油冷f.冷軋6804min鹽浴油冷1.3 塑性變形64圖a和圖b的鐵素體晶粒尺寸在(10010)m ;圖c、d、e、f的鐵素體晶粒尺寸在(106)m晶粒范圍在(6.292)m內(nèi), 屈服強度與晶粒尺寸的關系H-P關系式為:2010.4. 1 1.3 塑性變形亞晶界與晶界作用類似，仍適

27、用HallPetch關系式只是低3.溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素溶入金屬晶格形成固溶體引起晶格畸變產(chǎn)生應力場，引起系統(tǒng)能量增高，與金屬中的缺陷相互作用，使金屬強度和硬度提高，稱之為固溶強化1.3 塑性變形 1.3 塑性變形溶質(zhì)原子對位錯的釘扎作用有四種形式： 1）彈性作用或科垂耳作用 由于溶質(zhì)原子與基體原子大小不同，彈性模量不同，會造成晶格畸變，這個彈性畸變便與位錯發(fā)生作用。在穩(wěn)定狀態(tài)時，交互作用能為負。對正刃型位錯而言，小的置換型原子處在滑移面上邊，大的置換型原子和間隙型原子處在活移面下邊，結果使溶質(zhì)原子在位錯周圍作比較穩(wěn)定的分布，即形成所謂科垂耳氣團。 1.3 塑性變形692）化學作用或鈴木作用： 在

28、面心立方結構中，位錯可能以擴展位錯形式存在，即兩個半位錯間夾著一個相當于密排六方結構的堆垛層錯。在擴展位錯運動時，其間夾的層錯也必須跟著運動。在平衡態(tài)時，溶質(zhì)原子在不同結構中的分布是不同的，所以層錯內(nèi)外的溶質(zhì)原子濃度也不同，形成鈴木氣團。這必然會增加擴展位錯運動或束集成全位錯的困難，即增加位錯運動的阻力。這種化學作用，與彈性作用類似，都是位錯與不均勻分布的溶質(zhì)原子之間的交互作用。2010.4.73）電學作用： 自由電子傾向于從點陣的受壓地區(qū)移至受張地區(qū)，當溶質(zhì)原子的價電子數(shù)高于基體時，額外的自由電子便移向正刃型位錯的下方，于是位錯區(qū)便形成帶電的線偶極子，對溶質(zhì)離子發(fā)生靜電交互作用，促使溶質(zhì)原子

29、更傾向于在位錯周圍偏聚。顯然，溶質(zhì)原子與基體金屬的價電子數(shù)相差越大，則因溶強化作用越強。但這種電學作用引起的強化效果，并不顯著。1.3 塑性變形4）有序作用： 在短程有序(異類原子相聚)的情況下，與偏聚(同類原子叢聚)類似，由于滑移會改變滑移面上下異類原子的低能結合狀態(tài)，因此間樣會產(chǎn)生強化作用。但短程有序一旦因沿移而破壞，便不再起作用了。 溶質(zhì)原子與基體原子尺寸差別越大，引起的彈性畸變越大，溶質(zhì)原子濃度越高，引起的彈性畸變越大，對位錯的阻礙作用越強，固溶強化作用越大。間隙原子置換原子空位作用與置換相似 1.3 塑性變形.第二相1)第二相性質(zhì)對位錯運動的影響不可變形：位錯繞過機制可以變形：位錯切

30、過2) 大小及分布 彌散 第二相體積分數(shù)一定，其彌散程度愈大，其尺寸愈小，其間距越小，阻礙作用越大 聚集態(tài) 其尺寸、分布與基體晶粒相近故第二相與基體塑性不協(xié)調(diào)其尺寸、分布與基體晶粒相近故第二相與基體塑性不協(xié)調(diào)從而對塑性變形起約束作用1.3 塑性變形1.3 塑性變形位錯繞過第二相粒子位錯受第二相粒子斥力在切應力作用下發(fā)生彎曲位錯環(huán)增加位錯的運動阻力 位錯繞過顆粒是不易形變顆粒的強化機制，由于不易形變顆粒對位錯的斥力足夠大，使位錯不能自由運動而被迫彎曲。隨著外加切應力的增大，迫使位錯以繼續(xù)彎曲的方式向前運動，宜到在A、B處相遇。由于位錯線的方向在A和B是相反的，所以互相抵銷，留下一個圍繞顆粒的位錯

31、環(huán)。對后續(xù)位錯產(chǎn)生斥力。強化效果與組織參數(shù)間有： 當粒子體積分數(shù)f一定時,粒子尺寸r越小、強比效果越顯著 當粒子尺寸一定時，體積分數(shù)f越大，強化效果亦越好。由于為錯每繞過顆粒一次，就留下一個位錯環(huán)，這個位錯環(huán)的存在，使粒子間距減小，使后續(xù)的位錯繞過顆粒更加困難、所以流變應力迅速提高。1.3 塑性變形1.3 塑性變形第二相粒子表面積增大位錯切過 第二相粒子界面能增加，位錯運動阻力增大 其一是短程交互作用(位錯與顆粒交互作用間距小下10b)，其主要包括：增加相界面面積；當顆粒為有序相時，產(chǎn)生反相疇界；顆粒與基體的滑移面不重合時，產(chǎn)生割階以及顆粒的派納力高于基體等等。 1.3 塑性變形 網(wǎng)狀分布 位

32、錯堆積，應力不可以松弛，脆性增加3) 形狀片狀球狀例：珠光體類型對強度的影響 當滲碳體以片狀分布于塑性良好的鐵素體基體中構成珠光體時，一方面，由于鐵素體的形變受到阻礙，即位錯的移動被限制在滲碳體片層之間，滲碳體成了位錯運動的阻礙。所以滲碳體片層間距越小，珠光體越細，其強度越高。另一方面，由于薄片滲碳體能承受微兩的形變，所以合金的塑性基本上不隨滲碳體片層厚度發(fā)生變化，而維持在一定數(shù)值。 1.3 塑性變形 當滲碳體以球狀均勻分布于鐵素體基體中構成粒狀組織時，對鐵素體形變的阻礙作用顯著下降。這是因為在體積百分數(shù)相間情況下，位錯錢與第二相球狀粒子交會的機會減少，即位錯運動受阻的機會減少，故強度降低，塑

33、性提高。 當滲碳體以連續(xù)網(wǎng)狀分布于鐵素體晶界上時，切斷了鐵素體晶粒間的聯(lián)系、并且使晶粒的變形受阻于相界，導致很大的應力集中，造成過早地斷裂，因此強度反而下降，塑性明顯降低。1.3 塑性變形例：回火溫度對性能的影響回火馬氏體回火屈氏體回火馬氏體表2 鋼的化學成分wt% 元素C Si Mn P S V 含量0.27 1.65 0.83 0.028 0.028 0.080 表3 回火溫度對屈服強度的影響注：淬火溫度為920 回火溫度360380 400 420 440 460 屈服強度1565Mpa 1520Mpa1455Mpa 1440Mpa 1375Mpa 1315Mpa 1.3 塑性變形1.3

34、 塑性變形82 外在因素1.溫度溫度越高原子間作用越小位錯運動阻力越低2.應變速率應變速率越高強度越高3.應力狀態(tài)切應力分量越大強度越低四、應變硬化1. 定義金屬阻止繼續(xù)塑性變形的能力2.機理a.隨變形量的增加，金屬沿變形方向被拉長，晶粒逐漸變成扁平、長條至纖維狀。b.在被拉成纖維狀的晶粒內(nèi)部有許多位錯胞，胞壁上有大量的位錯，變形增大，位錯增多，將晶粒分割成牙頸或變形晶胞。c.塑性變形后，位錯、空位等缺陷大大增加，點陣畸變增加。2010.4.71.3 塑性變形83 應變硬化是位錯增殖、運動受阻所致。純銅變形量與強度和硬度的關系2010.4.71.3 塑性變形3.形變強化的實際意義1）形變強化可

35、使金屬零件具有抵抗偶然過載的能力， 保證安全。2）形變強化是工程上強化材料的重要手段。 如：18-8型不銹鋼，變形前0.2 =196MPa，經(jīng)40%冷軋后，0.2 = 780980MPa，屈服強度提高34倍。3）形變強化性能可以保證某些冷成形工藝。如冷拔和深沖壓成型等。4. 金屬的真應力-應變 在均勻塑性變形階段，真應力和真應變間有下列關系（Hollomon方程）：1.3 塑性變形K為強度系數(shù)，n為應變強化指數(shù)材料的形變強化特征主要反映在n值的大小上。n表示材料的應變強化能力或?qū)M一步塑性變形的抗力n=10.10.50理想塑性材料理想彈性材料.影響n的因素：1) 層錯能：層錯能低,則交滑移難，

36、加工硬化指數(shù)高。1.3 塑性變形2) 冷熱變形退火態(tài)n大，冷加工n小3) 強度 n五、縮頸現(xiàn)象應力-應變曲線上的應力達到最大值時開始頸縮?？s頸是拉伸時局部集中塑性變形現(xiàn)象。由于加工硬化落后于截面縮小，使材料承載力下降。1.原因2.縮頸判據(jù)：在應力- 應變曲線的最高點處有:1.3 塑性變形1.3 塑性變形加工硬化，承載截面縮小，承載因拉伸過程中體積不變，有: 這就是頸縮判據(jù)。說明頸縮開始于應變強化速率dS/de與真應力相等的時刻。1.3 塑性變形縮頸判據(jù)圖解縮頸判據(jù)的應用：在塑性失穩(wěn)點hollomon方程成立在塑性失穩(wěn)點當變硬化指數(shù)等于最大真實均勻塑性應變時，即產(chǎn)生縮頸1.3 塑性變形4.抗拉強

37、度金屬試樣拉斷過程中最大試驗力所對應的應力稱為抗拉強度 標志塑性金屬材料的實際承載能力，但這種承載能力也僅限于光滑試樣單向拉伸的受載條件，且韌性材料的不能作為設計參數(shù)。就是脆性材料的斷裂強度，用于產(chǎn)品設計 高低決定于屈服強度和應變硬化指數(shù) 與布氏硬度HB、疲勞極限等之間有一定經(jīng)驗關系:對淬火回火鋼：-1b b0.345 H B 1.3 塑性變形六、塑性1.塑性與塑性指標1) 塑性 金屬材料斷裂前發(fā)生不可逆永久 (塑性) 變形的能力. 金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分構成，大部分產(chǎn)生縮頸的金屬其均勻塑變比集中塑變小得多，一般均不超過集中塑變的50%。2) 指標工程

38、上常用拉伸時條件塑性以延伸率和斷面收縮率表示。延伸率斷面收縮率試樣拉斷時所測得的條件延伸率主要反映了材料均勻變形的能力。 1.3 塑性變形斷面收縮率主要反映了材料局部變形的能力 延伸率和斷面收縮率的選用原則： 對于單一拉伸細長桿件，無論有無縮頸，均用。 非細長桿件，拉伸有縮頸則用 評定塑性，因為縮頸產(chǎn)生三相應力，對組織變化更敏感。1.3 塑性變形2) 影響因素金屬材料的塑性常與其強度性能有關：強度是材料對變形和斷裂的抗力。一般來講，材料強度提高，其變形抗力提高，變形能力下降，塑性降低。在工程中，為了充分發(fā)揮材料的潛力，會盡量的提高材料的屈服強度，使材料的屈強比（ ）提高，導致材料塑性變形推遲，

39、不能通過塑變緩解應力集中，塑性降低。a. 相變強化，塑性降低；b. 固溶強化，塑性降低；c. 加工硬化，塑性降低；1.3 塑性變形e. 細晶強化，塑性提高；*細晶強韌化的機理晶粒尺寸減小a) 晶界增多，位錯運動障礙增加強度提高；b) 晶粒內(nèi)部位錯堆積群位錯數(shù)目減少，位錯塞積群前端應力降低；c) 晶界面積增加，分布于晶界附近的雜質(zhì)濃度降低，晶界強度提高；晶界不易開裂；d) 一定體積金屬內(nèi)部的晶粒數(shù)目越多，晶粒之間的位相差可能減小塑性變形可以被更多的晶粒所分擔，所以塑性提高七、韌性的概念及靜力韌度分析韌性是指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。1.3 塑性變形韌度是度量材料韌性的力學性能指標

40、，又分靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度。金屬材料在靜拉伸時單位體積材料斷裂前所吸收的功定義為靜力韌度，它是強度和塑性的綜合指標。 韌度可以理解為應力-應變曲線下的面積。C:中等強度、中等塑性, 高韌性A:高強度、低塑性, 低韌性;B:高塑性、低強度, 低韌性;七、韌性的概念及靜力韌度分析1.3 塑性變形 在不改變材料斷裂應力的情況下，提高材料屈服強度將導 致材料韌性降低，或者說材料 強度的提高是以犧牲韌性為代 價的。 靜力韌度對于按屈服強度設計，而在服役中有可能遇到偶然過載的機件如鏈條、起重吊鉤等，是必須考慮的重要指標。工程上用近似計算方法 4 金屬的斷裂斷裂的類型及宏觀斷口特征解理斷裂微孔聚集斷

41、裂斷裂強度斷裂理論的應用第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能1.4金屬的斷裂113 斷裂是工程材料的主要失效形式之一。 斷裂的基本過程：裂紋形成和擴展。一、斷裂類型Basic types of fracture1.根據(jù)斷裂前金屬是否有明顯的塑性變形分脆性斷裂brittle fracture5%2.從微觀上按照裂紋的走向分穿晶斷裂 transgranular fracture穿晶斷裂沿晶斷裂沿晶斷裂 intergranular fracture1.4金屬的斷裂沿晶斷裂沿晶脆性斷裂沿晶韌性斷裂穿晶斷裂純剪切斷裂 微孔聚集型斷裂解理斷裂準解理斷裂3.按斷裂面的取向或按作用力方式 正斷型斷裂 切斷

42、型斷裂 二、韌性斷裂及其宏觀斷口 斷裂面一般平行于最大切應力并與主應力成 45 斷口粗糙、呈纖維狀，灰暗色。 1.中、低強度鋼光滑圓柱試樣拉伸斷口 宏觀斷口呈杯錐狀 1.4金屬的斷裂宏觀斷口三要素纖維區(qū)放射區(qū)剪切唇1)纖維區(qū)：位于斷口中央，呈粗糙纖維狀圓環(huán)花樣；裂紋起始于該區(qū)并緩慢擴展，此階段產(chǎn)生縮頸階段。拉伸曲線最高點時，試樣局部區(qū)域產(chǎn)生縮頸； 1.4金屬的斷裂應力變?yōu)槿驊Γ行妮S向應力最大，塑變困難；第二相質(zhì)點碎裂或與基體界面脫離形成微孔 ；微孔不斷長大和聚合就形成顯微裂紋 早期顯微裂紋其端部產(chǎn)生較大塑性變形，集中于極窄的與徑向大致呈45度的剪切變形帶內(nèi)； 新的微孔就在變形帶內(nèi)成核、長

43、大和聚合 ，與裂紋連接時，裂紋便擴展了一段距離。如此反復，形成鋸齒形的纖維區(qū) 1.4金屬的斷裂2)放射區(qū)：裂紋有緩慢向快速擴展轉(zhuǎn)化。由于材料剪切變形作用，裂紋達到臨界尺寸而快速低能量撕裂，所以放射線平行于擴展方向。放射區(qū)有放射線花樣特征。放射線平行于裂紋擴展方向而垂直于裂紋前端的輪廓線，逆指向裂紋源。塑性變形量越大則放射線越粗；幾乎不產(chǎn)生塑性變形的極脆材料，放射線消失；溫度降低或材料強度增加，由于塑性降低放射線由粗變細乃至消失。3)剪切唇：斷裂最后階段，裂紋在平面應力狀態(tài)下發(fā)生失穩(wěn)擴展的結果，即表面平滑，且與徑向呈45。1.4金屬的斷裂材料脆性越大，放射區(qū)越大，纖維區(qū)越小，剪切唇越小；材料尺寸

44、越大，放射區(qū)越大，纖維區(qū)基本不變。2.平板試樣靜拉伸斷口纖維區(qū)：橢圓形放射區(qū)：人字形，尖端為裂紋源剪切唇1.4金屬的斷裂 脆性斷裂的斷裂面一般與正應力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結晶狀。 三、脆性斷裂及其宏觀斷口1.4金屬的斷裂四、沿晶斷裂在多晶體變形中，晶界起協(xié)調(diào)相鄰晶粒的變形的作用，但當晶界受到損傷，其變形能力被削弱，不足以協(xié)調(diào)相鄰晶粒的變形時，便形成晶界開裂。裂紋擴展總是沿阻力最小的路徑發(fā)展，遂表現(xiàn)為沿晶斷裂。 1）晶界有脆性相析出，基本呈連續(xù)分布。 如網(wǎng)狀滲碳體2）加熱溫度過高，造成晶界熔化。過燒 3）有害元素沿晶界富集，降低了晶界處表面能，使脆性轉(zhuǎn)變溫度向高溫推移 。如回火脆4

45、）晶界上有彌散相析出 沿晶斷裂是指裂紋在晶界上形成并沿晶界擴展的斷裂形式 。1. 定義2. 機理3. 晶界損傷的形式1.4金屬的斷裂4.沿晶斷口當晶界的強度小于屈服強度時，晶界無塑性變形，產(chǎn)生冰糖狀斷口a 冰糖狀斷口 當晶界的強度大于屈服強度時，晶界有塑性變形，產(chǎn)生石狀斷口 b 石狀斷口其屬于延性斷裂范疇，韌窩很細小而且沿晶界分布。沿晶斷裂時，材料的塑性、韌性水平?jīng)Q定于晶界受損的程度。1.4金屬的斷裂位錯運動受阻于晶界，造成應力集中，當集中應力達到晶界強度時，便將晶界擠裂。 沿晶斷裂應力與晶粒尺寸具有如下關系 當晶界強度小于屈服強度時，晶界開裂發(fā)生于宏觀屈服之前，斷裂呈宏觀脆性 。當晶界強度比

46、晶內(nèi)高時，晶界具有協(xié)調(diào)變形的能力，但因晶界區(qū)形變強化能力受到損傷而很快耗盡，在晶界強度低于晶內(nèi)時便喪失了協(xié)調(diào)變形的能力，遂在晶界彎折及三晶交叉處等有應力集中的地方按微孔聚集型斷裂機制形成微孔并沿晶界擴展，形成韌窩型斷口，但韌窩很細小而且沿晶界分布 1.4金屬的斷裂五、純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂 金屬在切應力的作用下沿滑移面分離造成的滑移面分離斷裂 。1. 切離（滑斷、純剪切斷裂）單晶體金屬剪切斷裂斷口呈鋒利的楔形 多晶體金屬的完全韌性斷裂斷口呈刀尖形 2.微孔聚集型斷裂micropore coalescence通過微孔形核、長大聚合而導致材料分離斷裂。如低碳鋼室溫下的拉伸斷裂 。 斷裂過程是由

47、微孔形成、長大和連接等不同階段組成 塑變過程中，位錯運動遇到第二相顆粒形成位錯環(huán)；1.4金屬的斷裂切應力作用下位錯環(huán)堆積；在切應力的作用下位錯環(huán)移向界面，界面沿滑移面分離形成微孔；后面位錯受的斥力下降，位錯源重新開動，釋放出新位錯，不斷進入微孔，使微孔長大。1.4金屬的斷裂微孔把基體分割成無數(shù)的單元，隨著變形的進行，相鄰的微孔相鄰微孔之間基體面積減小，在外力的作用下產(chǎn)生縮頸（內(nèi)縮頸）而斷裂，使微孔聚合，形成裂紋；裂紋尖端應力集中，產(chǎn)生極窄的與徑向大致呈45度的剪切變形帶，新的微孔就在變形帶內(nèi)成核、長大和聚合 ，與裂紋連接時，裂紋擴展，最終斷裂。斷口微觀特征:韌窩我們說微孔多萌生于夾雜物和第二相

48、處，這并不意味著在沒有夾雜物和第二相時，便不能形成微孔，對純金屬或單相合金變形后期也可產(chǎn)生許多微孔，微孔可產(chǎn)生于晶界，或?qū)\晶帶等處，只是相對地說微孔萌生較遲些。1.4金屬的斷裂a.韌窩的大小和深淺取決于第二相的數(shù)量、分布以及基體的塑性變形能力:塑性好，韌窩大而深;加工硬化能力強，大而淺。b.韌窩的形狀取決于應力狀態(tài)或加載方式:影響韌窩的因素：1.4金屬的斷裂六、解理斷裂指金屬材料在一定條件下（如低溫），當外加正應力達到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學平面產(chǎn)生的穿晶斷裂。1.定義由于與大理石的斷裂相似，所以稱這種晶體學平面為解理面，解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面。2.解理裂紋的形成和

49、擴展斷口附近仍然有少量塑性變形，裂紋形成必然與塑性變形有關塑性變形是位錯運動的反映，因之裂紋形成可能與位錯運動有關。1） 甄納-斯特羅位錯塞積理論 在滑移面上的切應力作用下，刃型位錯互相靠近。當切應力達到某一臨界值時，如果塞積頭處的應力集中不能為塑性變形所松弛，塞積頭處的位錯互相擠緊聚合而成為一高nb、長為r的楔形裂紋(或孔洞形位錯)。1.4金屬的斷裂塞積頭前端距領先位錯r處P點的應力 當=70.5度時，應力最大1.4金屬的斷裂133 當滑移面上的有效切應力-i大于位錯源開動的臨界切應力時； 位錯源才能連續(xù)不斷的釋放出位錯。塑性變形增加，位錯塞積數(shù)目增多 ，位錯運動阻力增大，外加切應力增大；塞

50、積頭處的應力集中不能為塑性變形所松弛，塞積頭處垂直于OP的拉應力達到理想晶體沿解理面斷裂的理論斷裂強度時，就會形成解理裂紋。 此時形成的裂紋并不一定可以迅速擴展 ，當nb=2s 即外加正應力所作的功等于產(chǎn)生裂紋新表面的表面能時，裂紋才會擴展。 1.4金屬的斷裂解理斷裂過程分為三個階段：a)塑性變形形成裂紋b)裂紋在同一晶粒內(nèi)初期長大c)裂紋越過晶界向相鄰晶粒擴展2)柯垂耳位錯反應理論該理論是為了解釋晶內(nèi)解理與bcc晶體中的解理而提出的 ?？麓苟岢龅奈诲e反應是降低能量的過程，因而裂紋成核是自動進行的。1.4金屬的斷裂新位錯線在（001）面上，（001）面不是滑移面，001位錯不可動，產(chǎn)生塞積，

51、形成裂紋。1.4金屬的斷裂1)解理臺階及河流狀花樣單晶體：由于解理斷裂沿一定的晶面分，應為一毫無特征的理想平面。多晶體：斷裂斷口是由許多大致相當于晶粒大小的小平面集合而成。實際上，只從一個解理面發(fā)生解理破壞實際上是很少。多數(shù)情況下，裂紋要跨越若干個相互平行的、而且位于不同高度的小晶體學平面（解理刻面），從而產(chǎn)生解理斷口的微觀特征。a）解理臺階沿兩個高度不同的平行解理面上擴展的解理裂紋相交形成的。3.解理斷裂的微觀斷口特征1.4金屬的斷裂解理臺階的形成過程(1) 解理裂紋與螺型位錯相交（2）二次裂紋和撕裂形成臺階1.4金屬的斷裂b）河流花樣裂紋擴繼續(xù)展，同號臺階匯合，異號臺階消失形成河流狀花樣。

52、“河流”的流向與裂紋擴展方向一致，所以可以根據(jù)“河流”流向確定在微觀范圍內(nèi)解理裂紋的擴展方向，而按“河流”反方向去尋找斷裂源。1.4金屬的斷裂a.位錯運動于晶界、亞晶界及第二相處受阻，產(chǎn)生塞積，誘發(fā)解理裂紋b.當解理裂紋遇到扭轉(zhuǎn)晶界時，裂紋不能直接越過晶界而必須重新形核。裂紋將沿若干組新的相互平行的解理面擴 展而使臺階激增，形成為數(shù)眾多的“河流” 。影響河流花樣的因素1.4金屬的斷裂c.解理裂紋遇到刃型位錯組成的小角度晶界，裂紋越過晶界，河流也延續(xù)到相鄰的晶粒中。d.解理裂紋遇到大角度晶界，不能通過,形成新裂紋及其為核心呈扇形擴展1.4金屬的斷裂2)舌狀花樣解理裂紋遇到孿晶，解理裂紋沿孿晶面擴

53、展，越過孿晶面后繼續(xù)沿解理面擴展1.4金屬的斷裂七、準解理斷裂在淬火回火 (貝氏體鋼、高強度鋼)鋼中，當裂紋在晶粒內(nèi)部擴展時，難于嚴格的沿一定晶體學平面擴展，斷裂路徑不再與晶粒位向有關，而主要與細小的碳化物質(zhì)點有關，其微觀形態(tài)，與解理河流相似，但又不是真正的解理，所以稱為準解理。2.微觀形態(tài)特征：1.定義似解理河流但又非真正解理1.4金屬的斷裂a.準解理與解理的共同點穿晶斷裂；有小解理刻面； 有臺階或撕裂棱及河流花樣。b.不同點:解理刻面不是真正的晶體學平面，擴展路徑與第二相粒子有關;裂紋源為刻面內(nèi)的硬質(zhì)點而不是晶界;準解理包含更多的撕裂；主裂紋的走向不太清晰，原因是主裂紋前方常產(chǎn)生許多二次裂

54、紋，裂紋多萌芽于晶粒內(nèi)部。3.與解理斷裂的異同點1.4金屬的斷裂八、斷裂強度1.晶體的理論斷裂強度原子位移很小 根據(jù)胡克定律 使金屬原子完全分離所需的能量 實際金屬材料的斷裂應力僅為理論值的 1/10 1/1000 。 實際金屬材料中一定存在某種缺陷，使斷裂強度顯著下降。 2.甄納-斯特羅位錯塞積理論1.4金屬的斷裂塞積頭處的應力集中不能為塑性變形所松弛，塞積頭處垂直于OP的拉應力達到理想晶體沿解理面斷裂的理論斷裂強度時，就會形成解理裂紋。 當外加正應力所作的功等于產(chǎn)生裂紋新表面的表面能時，裂紋才會擴展。nb=2s 在有效切應力的作用下，裂紋的底部邊長為切變位移nb。假設滑移帶穿過直徑為d的晶

55、粒，則分布到滑移帶上的彈性切變位移為 1.4金屬的斷裂對于脆性的解理斷裂，位錯滑移產(chǎn)生塑性變形，即屈服時就意味著裂紋形成。 屈服應力與晶粒直徑間符合Hall-Petch關系 1.4金屬的斷裂3.斷裂強度的裂紋理論（格雷菲斯裂紋理論） 解釋玻璃、陶瓷等脆性材料斷裂強度的理論值和實際值的巨大差異固體材料的實際斷裂強度低的原因是因為材料內(nèi)部存在有裂紋。 設想有一單位厚度的無限寬薄板，對之施加拉應力，而后使其固定以隔絕外界能源 裂紋失穩(wěn)擴展的臨界應力為 對于脆性材料，裂紋尖端曲率半徑3a0 時1.4金屬的斷裂4.奧羅萬歐文公式裂紋尖端應力集中，產(chǎn)生塑變區(qū)，應力松弛由于所以九、斷裂理論的應用金屬材料屈服

56、時產(chǎn)生解理斷裂的判據(jù)是既解理斷裂在屈服時產(chǎn)生，則：而：1.4金屬的斷裂所以等式的左邊大于右邊，裂紋形成后能自動擴展?？紤]到應力狀態(tài)系數(shù)q1.4金屬的斷裂為了降低金屬材料脆斷傾向，應采用下述措施： 應提高G、 s 和q；降低d、i和ky。s為金屬材料的有效表面能，實際上那個由表面能和塑性變形功兩部分構成，其中主要是塑性變形功。塑性變形功大小與材料的有效滑移系數(shù)目及裂紋尖端附近可動位錯數(shù)目有關。晶粒大小反映滑移距離的大小，因而影響在障礙前位錯塞積得數(shù)目。細化晶粒，裂紋不易形成，并且裂紋形成后也不易擴展，因為裂紋擴展時要多次改變方向，將消耗更多能量。 第一章 材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能第一章

57、材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能1.5 聚合物材料的拉伸變形及斷裂一、聚合物的拉伸曲線 不同聚合物材料的拉伸曲線大致可分為三種類型：第類如聚碳酸脂，聚丙烯等 載荷隨伸長增大而增高，達到極大值后，試樣在某一處（或幾處）產(chǎn)生頸縮（或應力白化區(qū)），載荷降低； 頸縮發(fā)生后，在名義應力幾乎保持不變的條件下，頸縮后會發(fā)生均勻塑性變形。產(chǎn)生頸縮區(qū)沿試樣長度方向擴展 ； 當頸縮部擴展到兩端后，載荷隨伸長增加又出現(xiàn)增大趨勢。 分子鏈由未取向狀態(tài)或取向度較低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成頸縮中較高程度的取向狀態(tài)。取向化程度增高引起的局部應變強化保證了頸縮向兩端均勻地擴展，與金屬中形變強化引起的均勻變形類似 。聚合物的拉伸曲線第類如

58、ABS塑料，聚甲醛，增強尼龍等 載荷隨伸長增加而增大，達到極大值后，試樣出現(xiàn)縮頸，載荷降低。隨拉伸變形繼續(xù)進行，縮頸處的橫截面積逐漸減小，試樣在伸長變形不大的情況下斷裂。第類如聚苯乙烯，增強聚碳酸脂等 隨伸長增大，載荷增至最大值后，材料發(fā)生脆性斷裂。二、非晶態(tài)聚合物彈性變形和彈性模量 非晶態(tài)聚合物為無規(guī)線團的形態(tài)，即呈相互穿插堆積在一起的分子鏈 。在外力作用下 ，主鏈旋轉(zhuǎn)困難而被凍結，變形主要依靠鍵長與鍵角的變化 。1. 彈性變形聚合物的拉伸曲線 由于分子構象的改變需要時間，變形強烈地與時間有關，表現(xiàn)為應變落后于應力。 除瞬間的普通彈性變形外，聚合物往往還有慢性的粘性流變，通常稱之為粘彈性。

59、粘彈性表現(xiàn)為滯后環(huán)，應力松馳和蠕變。2.非晶態(tài)聚合物的彈性模量彈性模量很小，只有21033103MPa。 實質(zhì)上反映了分子鏈與分子鏈間的原子間鍵合力與位能的變化。 聚合物的彈性模量對結構非常敏感。1)主鍵熱力學穩(wěn)定性增加，E增大彈性變形和彈性模量2)結晶區(qū)百分比增加， E增大3)分子鏈填充密度的增加， E增大4)分子鏈拉伸方向取向程度增加， E增大5)聚合物晶體中鏈端適應性增加，E增大6)鏈折疊程度減小， E增大。3.高彈態(tài)線型非晶態(tài)聚合物的力學行為隨溫度不同而變化。 A-玻璃態(tài) B-過渡態(tài) C-高彈態(tài) D-過渡態(tài) E-粘流態(tài)高彈態(tài)材料 高彈態(tài)的聚合物其彈性變形量可達到1001000。在室溫下

60、處于高彈態(tài)的聚合物都稱為橡膠 具有高彈性，其彈性變形量可達1000，而其彈性模量E值卻只有0.11GPa，約為鋼的1106。1.高彈態(tài)聚合物的力學性能特點：2.聚合物具備高彈性的條件：室溫下為非晶體；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度遠低于室溫；鏈結構上同時應具有下列特征：鏈非常長，并有很多彎；室溫下鏈段在不停地運動；每二、三百個原子就有一處交聯(lián)連接。高彈態(tài)材料3.橡膠彈性變形的機理 當外力使蜷曲的分子拉直時，由于分子鏈各個環(huán)節(jié)的熱運動和少量交聯(lián)所引起的共價結合，力圖恢復到原來比較自然的蜷曲狀態(tài)，形成了對抗外力的回縮力，正是這種力促使橡膠形變的自發(fā)回復，造成形象的可逆性。由于這種回縮力不大，所以橡膠在外力不大時就